PCB設(shè)計(jì)中的阻抗簡介

隨著 PCB 信號(hào)切換速度不斷增長，當(dāng)今的 PCB 設(shè)計(jì)廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號(hào)傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線不再是簡單的連接，而是傳輸線路。
什么是控制阻抗？
可能最常見的控制阻抗組件示例是連接無線設(shè)備或電視接收天線的饋線。天線饋線通常使用“扁平雙纜”的線纜形式（一般隨 VHF 廣播接收器提供）或低衰減的同軸電纜。無論采用哪一種形式，饋線的阻抗都是由物理尺寸和線纜材質(zhì)控制的。
您可以將 PCB 跡線當(dāng)做較短的線纜，它們精確的布放在線路板上連接板上安裝的各個(gè)設(shè)備，其中的 PCB 跡線類似同軸電纜內(nèi)部的導(dǎo)體，承載信號(hào)并與其返回線路（本例中是接地層）通過線路板疊層板絕緣。在微波傳輸帶配置下，這一情況如圖 中的交叉部分所示。
跡線寬度 W 和 W1、厚度 T 和疊層板高度 H 以及絕緣常數(shù) Er 都必須嚴(yán)格控制。表面上的焊點(diǎn)將略微減小阻抗，因此經(jīng)常采用如圖 顯示的更加容易預(yù)測(cè)的帶狀線配置。
為什么需要控制阻抗？
接收天線擁有自然的或特性阻抗，電子理論表明為了使用天線將最大的功率傳輸給接收器（確保電子信號(hào)的完整性），饋線和接收器的阻抗都應(yīng)該和天線相匹配。換而言之，在信號(hào)從其來源到目標(biāo)的傳輸過程中，信號(hào)阻抗在理想情況下應(yīng)該表現(xiàn)為常量。如果出現(xiàn)不匹配的情況，則將只能發(fā)送部分信號(hào)，其余的信號(hào)將被反射回到信號(hào)源（使信號(hào)減弱）。線纜設(shè)計(jì)廠商因此要特別確保線纜長度和材質(zhì)特性的精度和一致性。使用較高的信號(hào)切換速度，必須考慮線纜的電子屬性，例如電容和電感系數(shù)，而且也不能將線纜視為簡單的導(dǎo)線。設(shè)計(jì)用于高速信號(hào)的線纜時(shí)考慮了這些因素的相應(yīng)線纜應(yīng)該稱為傳輸線路。
PCB 上的控制阻抗
同樣，隨著 PCB 上的信號(hào)切換速度的不斷增長，承載信號(hào)的跡線的電子屬性將變得愈加重要。PCB 跡線的阻抗由以下因素控制
        ● 配置
        ● 尺寸（跡線寬度和厚度、線路板材質(zhì)的高度）
        ● 線路板材質(zhì)的絕緣常數(shù)

在使用線纜時(shí)，當(dāng)信號(hào)遇到由材質(zhì)或幾何尺寸上的改變引起的阻抗變化時(shí)，部分信號(hào)將被反射回去，部分信號(hào)被傳送到目標(biāo)。這些反射可能導(dǎo)致信號(hào)失常，進(jìn)而降低電路的性能（例如低增益、噪聲和隨機(jī)錯(cuò)誤。）線路板設(shè)計(jì)廠商在實(shí)際中將指定線路板跡線的阻抗值和誤差，并依靠 PCB 制造商來遵循相應(yīng)的規(guī)范。
測(cè)試 PCB
大部分控制阻抗的 PCB 要經(jīng)歷 100% 的測(cè)試。但是，對(duì)于不容易檢測(cè)到的 PCB 跡線來說則比較困難。此外，跡線可能很短，并且可能包括許多分支，要精確地測(cè)試阻抗非常困難。出于測(cè)試目的添加額外的線路將會(huì)影響性能并占用線路板空間。PCB 測(cè)試因此通常在集成到 PCB 面板上的一兩個(gè)測(cè)試試樣上執(zhí)行，而不是在 PCB 本身之上。試樣具有和主 PCB 相同的分層和跡線構(gòu)造，同時(shí)和 PCB 的阻抗相同，這是非常精確的。進(jìn)而測(cè)試試樣就足以確定線路板的阻抗是否正確了。
測(cè)量控制阻抗
阻抗測(cè)量通常使用時(shí)域反射計(jì) (TDR) 來完成。TDR 通過控制阻抗線纜和探針向試樣應(yīng)用快速電壓步長。任何脈沖微波中的反射都將顯示在 TDR 上，并且表示阻抗值的變化（稱為不連續(xù)性。）TDR 可以表明不連續(xù)性的位置和幅度。使用適當(dāng)?shù)能浖?，TDR 可以繪制試樣的測(cè)試跡線長度上的阻抗圖。所生成的跡線特性阻抗的圖形化表示將允許在生產(chǎn)環(huán)境中執(zhí)行此前所述的復(fù)雜測(cè)量。